Qu'est-ce que l'instabilité du rotor ? Vibration auto-excitée • Équilibreur portable, analyseur de vibrations " Balanset " pour l'équilibrage dynamique des concasseurs, ventilateurs, broyeurs, vis sans fin de moissonneuses-batteuses, arbres, centrifugeuses, turbines et de nombreux autres rotors. Qu'est-ce que l'instabilité du rotor ? Vibration auto-excitée • Équilibreur portable, analyseur de vibrations " Balanset " pour l'équilibrage dynamique des concasseurs, ventilateurs, broyeurs, vis sans fin de moissonneuses-batteuses, arbres, centrifugeuses, turbines et de nombreux autres rotors.

Qu'est-ce que l'instabilité du rotor ? Vibration auto-excitée

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Comprendre l'instabilité du rotor

Définition : Qu'est-ce que l'instabilité du rotor ?

Instabilité du rotor est une condition dans les machines tournantes où vibration auto-excitée se développe et croît sans limite (limité uniquement par des effets non linéaires ou une défaillance du système). Contrairement aux vibrations déséquilibrer ou désalignement, qui sont des vibrations forcées répondant à des forces externes, l'instabilité du rotor est une oscillation auto-entretenue où l'énergie est continuellement extraite du mouvement de rotation constant de l'arbre et introduite dans le mouvement vibratoire.

L’instabilité du rotor est l’une des conditions les plus dangereuses dynamique du rotor car elle peut survenir soudainement, croître rapidement jusqu'à des amplitudes destructrices et ne peut être corrigée par équilibrage ou l'alignement. Cela nécessite l'arrêt immédiat et la correction du mécanisme déstabilisateur sous-jacent.

Différence fondamentale : vibration forcée ou auto-excitée

Vibration forcée (stable)

Les vibrations les plus courantes des machines sont forcées :

  • Une force externe (déséquilibre, désalignement) entraîne la vibration
  • Amplitude de vibration proportionnelle à la grandeur de la force
  • La fréquence correspond à la fréquence de forçage (1X, 2X, etc.)
  • La suppression de la force élimine la vibration
  • Le système est stable : les vibrations ne croissent pas sans limite

Vibration auto-excitée (instable)

L'instabilité du rotor produit des vibrations auto-excitées :

  • L'énergie est extraite de la rotation elle-même, et non des forces externes
  • L'amplitude augmente de façon exponentielle une fois que la vitesse seuil est dépassée
  • Fréquence généralement égale ou proche d'une fréquence naturelle (souvent sous-synchrone)
  • Continue et grandit même si le déséquilibre est éliminé
  • Le système est instable : seul un arrêt ou une action corrective peut l'arrêter

Types courants d'instabilité du rotor

1. Tourbillon d'huile

Tourbillon d'huile est l'instabilité la plus courante dans les systèmes de paliers à film fluide :

  • Mécanisme: Le coin d'huile dans le roulement crée une force tangentielle sur l'arbre
  • Fréquence: Généralement 0,42 à 0,48 × vitesse de fonctionnement (sous-synchrone)
  • Seuil: Se produit lorsque la vitesse dépasse environ le double de la première vitesse critique
  • Symptôme: Vibration sous-synchrone de grande amplitude qui augmente avec la vitesse
  • Solution : Modifications de conception des roulements, précharge ou configurations décalées

2. Fouet d'huile (instabilité grave)

Le coup de fouet à l'huile est une forme grave de tourbillon d'huile :

  • Mécanisme: Le tourbillon d'huile se verrouille sur une fréquence naturelle
  • Fréquence: Se bloque à la première fréquence naturelle, quelle que soit l'augmentation de la vitesse
  • Seuil: Se produit à 2× la première vitesse critique
  • Symptôme: Amplitude très élevée, fréquence constante malgré les changements de vitesse
  • Danger: Peut causer des dommages catastrophiques aux roulements et à l'arbre en quelques minutes

3. Tourbillon de vapeur

Se produit dans les turbines à vapeur équipées de joints à labyrinthe :

  • Mécanisme: Forces de couplage aérodynamiques croisées dans les jeux d'étanchéité
  • Fréquence: Sous-synchrone, proche de la fréquence naturelle
  • Conditions: Différences de pression élevées à travers les joints
  • Solution : Freins à tourbillon, dispositifs anti-tourbillon, modifications de conception des joints

4. Fouet à manche

Terme général désignant diverses instabilités auto-excitées :

  • Peut être causé par un amortissement interne dans le matériau de l'arbre
  • Coup de fouet dû à la friction sèche des joints ou des frottements
  • Forces de couplage croisées aérodynamiques ou hydrodynamiques

Caractéristiques et symptômes

Signature vibratoire

L'instabilité du rotor produit des modèles de vibrations distinctifs :

  • Fréquence sous-synchrone : Fréquence de vibration inférieure à 1× la vitesse de fonctionnement (généralement 0,4-0,5×)
  • Indépendance de la vitesse : Une fois l'instabilité activée, la fréquence reste constante même si la vitesse change
  • Croissance rapide : L'amplitude augmente de façon exponentielle une fois que la vitesse seuil est dépassée
  • Haute amplitude : Peut atteindre 2 à 10 fois l'amplitude des vibrations déséquilibrées
  • Précession vers l'avant : L'orbite de l'arbre tourne dans le même sens que la rotation de l'arbre

Comportement initial

  • L'instabilité a généralement une vitesse seuil
  • En dessous du seuil : le système est stable, seules les vibrations forcées sont présentes
  • Au seuil : une petite perturbation déclenche le début
  • Au-dessus du seuil : l'instabilité se développe rapidement
  • Peut être intermittent au début, puis devenir continu

Identification diagnostique

Indicateurs de diagnostic clés

Distinguer l’instabilité des autres sources de vibrations :

Caractéristiques Déséquilibre (forcé) Instabilité (auto-excitée)
Fréquence 1× vitesse de course Sous-synchrone (souvent ~0,45×)
Amplitude vs. Vitesse Augmente progressivement avec la vitesse² Apparition soudaine au-dessus du seuil
Réponse à l'équilibrage Vibrations réduites Aucune amélioration
Fréquence vs. Vitesse Pistes avec vitesse (ordre constant) Fréquence constante (change l'ordre)
Comportement d'arrêt Réduit avec la vitesse Peut persister brièvement après une baisse de vitesse

Confirmation de l'instabilité

  • Effectuer analyse des commandes—l'instabilité se manifeste par une fréquence constante, un ordre changeant
  • Parcelle en cascade montre que la fréquence ne suit pas la vitesse
  • L'équilibrage n'a aucun effet sur le composant sous-synchrone
  • Analyse de l'orbite montre une précession vers l'avant à la fréquence naturelle

Prévention et atténuation

Considérations de conception

  • Amortissement adéquat : Concevoir des systèmes de roulement avec suffisamment amortissement pour prévenir l'instabilité
  • Sélection des roulements : Choisissez des types et des configurations de roulements qui offrent un bon amortissement (roulements à patins inclinables, roulements préchargés)
  • Optimisation de la rigidité : Rapports de rigidité appropriés de l'arbre et du roulement
  • Plage de vitesse de fonctionnement : Conçu pour fonctionner en dessous des vitesses de seuil d'instabilité

Solutions de conception de roulements

  • Roulements à patins inclinables : Type de roulement intrinsèquement stable pour les applications à grande vitesse
  • Paliers de barrage sous pression : Géométrie modifiée pour augmenter l'amortissement efficace
  • Précharge du roulement : Augmente la rigidité et l'amortissement, augmente la vitesse de seuil
  • Amortisseurs à film compressible : Dispositifs d'amortissement externes entourant les roulements

Solutions opérationnelles

  • Limitation de vitesse : Limiter la vitesse maximale en dessous du seuil
  • Augmentation de la charge : Des charges de roulement plus élevées peuvent améliorer les marges de stabilité
  • Contrôle de la température : La température de l'huile de roulement affecte la viscosité et l'amortissement
  • Surveillance continue : La détection précoce permet un arrêt avant que des dommages ne surviennent

Intervention d'urgence

Si une instabilité du rotor est détectée pendant le fonctionnement :

  1. Action immédiate : Réduisez la vitesse ou arrêtez immédiatement
  2. N'essayez pas d'équilibrer : L’équilibrage ne corrigera pas l’instabilité et fait perdre du temps
  3. Conditions du document : Vitesse d'enregistrement au début, fréquence, progression de l'amplitude
  4. Rechercher la cause profonde : Identifier le mécanisme d'instabilité présent
  5. Mettre en œuvre la correction : Modifier les roulements, les joints ou les conditions de fonctionnement selon les besoins
  6. Vérifier le correctif : Tester soigneusement avec une surveillance étroite avant de remettre en service

Analyse de stabilité

Les ingénieurs prédisent et préviennent l’instabilité grâce à l’analyse de stabilité :

  • Calculer les valeurs propres du système rotor-palier
  • La partie réelle de la valeur propre indique la stabilité (négative = stable, positive = instable)
  • Identifier les vitesses de seuil où la stabilité change
  • Modifications de conception pour assurer des marges de stabilité adéquates
  • Nécessite souvent un logiciel spécialisé de dynamique de rotor

L'instabilité du rotor, bien que moins fréquente que le déséquilibre ou le désalignement, représente l'un des problèmes de vibration les plus graves dans les machines tournantes. Comprendre ses mécanismes, reconnaître ses symptômes et connaître les mesures correctives appropriées sont des compétences essentielles pour les ingénieurs et techniciens travaillant sur des équipements rotatifs à grande vitesse.

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